使用自制光電等厚干涉實驗儀的教學實踐和效果

使用自制光電等厚干涉實驗儀的教學實踐和效果【摘要】數(shù)理學院物理實驗室自制出新型“光電等厚干涉實驗儀”，并應用于教學實踐，取得了良好的教學效果。從而說明操作簡便、測量精度好、科技含量高的新儀器能大大地激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質(zhì)量。

【關鍵詞】大學物理實光電等厚干涉實驗儀教學實踐教學效果

AbstractThephysicslaboratorofmathematicsandphysicshasdevelopedanewphotoelectricexperimentalinstrumentforequalthicknessinterferenceandintroducedtheinstrumentintoteachingpractice,whichresultedinwellteachingpapershowsthatthenewconvenientadvancedinstrumentcaninspiregreatlystudentswithinterestofstudyingandeimprovetheteachingquality.

Keywordstphotoelectricexperimentalinstrumentforequalthicknessinterference;teachingpractise:teachingeffort

牛頓環(huán)干涉實驗是大學物理實驗教學中一個重要的基礎實驗，傳統(tǒng)的牛頓環(huán)實驗是通過讀數(shù)顯微鏡對牛頓環(huán)的干涉條紋進行測量，進而計算出平凸透鏡的曲率半徑。測量時，為保證精度，一般需要測到幾十環(huán)的干涉同心圓環(huán)的直徑，學生很容易在數(shù)環(huán)時由于視力疲勞引起條紋記數(shù)錯誤，如果中途出現(xiàn)碰撞、振動等干擾還會造成“回程誤差”。另外，讀數(shù)顯微鏡的讀數(shù)范圍小，無法看見全場的牛頓環(huán)干涉圖樣，直觀性也不好?？傊?，由于傳統(tǒng)儀器設備老舊，操作繁雜，測量精度不高，長期以來學生對學習、操作這個實驗興趣不大，不少同學還對做物理實驗缺乏信心。

為配合大學物理實驗課程教學改革，提高教學質(zhì)量，我們引入現(xiàn)代教育技術，在教學中融入當今高新科技元素，將CCD技術應用于牛頓環(huán)實驗，在監(jiān)視器屏幕上實現(xiàn)數(shù)字化測量，研制成光電等厚干涉儀。它操作簡便，直觀性強，易于準確測量，在投入教學實踐后，取得了較好的效果。

1光電等厚干涉儀

光電等厚干涉儀是南華大學物理實驗室研制的新型物理實驗儀器，它由顯微鏡、監(jiān)視器、CCD、攝像頭、測量電路、牛頓環(huán)裝置、光刻標尺等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該儀器將光的干涉條紋圖像信號轉(zhuǎn)換為電信號在監(jiān)視器屏幕上顯示，并采用數(shù)字邏輯電路在監(jiān)視器屏幕上產(chǎn)生兩條能在水平方向上移動的測量線，調(diào)整兩測量線在屏幕上的位置，使其分別與待測物兩端重合，數(shù)碼顯示器的顯示即與待測物的長度對應，實現(xiàn)了直接在監(jiān)視器屏幕上對所觀察的圖像進行數(shù)字化測量。在《在牛頓環(huán)法測量透鏡的曲率半徑》實驗中，先將刻有標準長度的光刻標尺像于監(jiān)視器屏幕上，調(diào)整兩測量線分別與代表適當長度的兩刻線對齊，此時數(shù)碼顯示器記數(shù)用N標表示，再將牛頓環(huán)裝置產(chǎn)生的干涉條紋成像于屏幕上，調(diào)整兩測量線分別與某一級干涉環(huán)兩側(cè)相切，此時數(shù)碼顯示器的計數(shù)用N測表示，則所測環(huán)的直徑可用下面的公式計算

d=N測N標×L標

光電等厚干涉實驗儀引入新的測量方法，改傳統(tǒng)的機械螺旋測量為電測量。

2教學實踐和教學效果

自2004年開始，在本校大學物理實驗課程中我們用自制光電等厚干涉儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，歷時約4年，有近萬名理工科學生使用新儀器做光的等厚干涉實驗。相比之前，學生學習的積極性被充分調(diào)動，課堂氣氛活躍，測量結(jié)果精確，取得了良好的教學效果，現(xiàn)歸納為以下幾個方面。

將現(xiàn)代技術融入傳統(tǒng)實驗，激發(fā)學生學習興趣

光電等厚干涉實驗儀加入CCD技術，改傳統(tǒng)的機械螺旋測量為電測量，便于演示，從監(jiān)視器上看到的干涉條紋清晰直觀。投入教學后，學生一改以往做實驗時按照實驗步驟機械地完成，表現(xiàn)出對新儀器，對干涉現(xiàn)象濃厚的興趣。同學們對通過移動監(jiān)視器上的兩根測量線就能準確地測出干涉同心圓環(huán)的直徑非常好奇，或詢問老師，或課后查找相關資料，開闊視野的同時，也加深了實驗原理的理解。很多同學在完成要求的實驗內(nèi)容后，嘗試改變牛頓環(huán)儀3個螺絲的松緊程度，或把一根頭發(fā)夾在平凸透鏡和玻璃片之間，觀察新的現(xiàn)象，并在老師的引導下，積極思考成因，整個實驗過程變得輕松愉快，更重要的是激發(fā)了學生主動探索科學的欲望。甚至有的同學在做完該實驗幾周后又回到實驗室要求重做一次，這是未有過先例的。

操作簡便，提高課時利用率

傳統(tǒng)實驗中用直接讀數(shù)顯微鏡測量干涉條紋，操作繁雜不便，導致不少學生存在畏難情緒。而使用光電等厚干涉儀做同一個實驗，學生可以在監(jiān)視器屏幕上輕松地觀察干涉條紋，測量牛頓環(huán)的直徑和劈尖干涉條紋間距，不用一邊看顯微鏡的目鏡，一邊手搖測量鼓輪，只需調(diào)節(jié)儀器面板的測量旋鈕使兩測量線分別與某一級干涉環(huán)兩側(cè)相切記錄數(shù)碼顯示器記數(shù)即可，不易有視力疲勞，提高了測量速度。原來需要做3個學時的牛頓環(huán)干涉實驗，現(xiàn)縮減為1~2個學時，就可以增補上波長測量、劈尖干涉等實驗內(nèi)容，有效得提高了課時利用率。

減小誤差，提高測量精度

讀數(shù)顯微鏡是采用刻尺和讀數(shù)鼓輪進行讀數(shù)的，刻尺的最小分度值是,又由于視差和回程誤差的影響，測量結(jié)果的相對誤差在5%左右，精度偏低。而自制GDZ-1光電等厚干涉儀儀器最小分度值：4倍物鏡μm，40倍物鏡為μm；儀器相對誤差：屏幕中心50%區(qū)域內(nèi)≤%，滿屏≤%，極為有效地提高了實驗的測量精度?，F(xiàn)給出一組學生的測量數(shù)據(jù)為例

用牛頓環(huán)法測定透鏡的曲率半徑實驗儀器：GDZ-1近代光電